自旋分辨激光光电子能谱对拓扑绝缘体的电子结构和自旋结构的研究

拓扑绝缘体是一种新的量子物态，其表面态具有奇特的电子结构和自旋结构，在量子计算和自旋电子学等方面具有重要的应用前景。拓扑绝缘体研究与应用相关的一个重要方面，在于它奇特的自旋特征，这在实验上只有通过自旋分辨光电子能谱才能直接测量。目前国际上自旋分辨光电子能谱设备寥寥无几，而且即使最好的设备，性能都难以达到研究拓扑绝缘体的要求。本项目拟基于我们最新研制的自旋分辨/角分辨激光光电子能谱系统，对拓扑绝缘体的电子结构尤其是自旋结构开展系统和深入的研究。我们的自旋分辨光电子能谱系统由于在国际上首次采用深紫外激光，性能显著提高，处于国际领先水平（能量分辨率提高一个量级，信号强度提高2到3个量级）， 为拓扑绝缘体研究提供了一个独特和理想的实验手段。本项目是要抓住自旋分辨/角分辨激光光电子能谱提供的这一难得的机遇，通过联合材料，实验和理论三方面的重要力量，力争在拓扑绝缘体这一新兴研究领域取得重要成果和突破。

拓扑绝缘体是一种新的量子物态，其表面态具有奇特的电子结构和自旋结构，在量子计算和自旋电子学等方面具有重要的应用前景。拓扑绝缘体研究与应用相关的一个重要方面，在于它奇特的自旋特征，这在实验上只有通过自旋分辨光电子能谱才能直接测量。目前国际上自旋分辨光电子能谱设备寥寥无几，而且即使最好的设备，性能都难以达到研究拓扑绝缘体的要求（基于同步辐射的自旋系统能量分辨率为50-100meV）。在本项目资助下，我们取得了一系列重大研究进展：1.成功研制基于深紫外激光的自旋分辨/角分辨激光光电子能谱系统，由于在国际上首次采用深紫外激光，实现了自旋分辨能量分辨率2.5meV，为目前国际上最高自旋分辨能量分辨率的系统，为拓扑绝缘体研究提供了一个独特和理想的实验手段；2.利用该深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪，首次在实验上观测到了拓扑绝缘体中自旋-轨道锁定现象，验证了理论预言；3.利用角分辨光电子能谱直接验证了拓扑绝缘体中的拓扑表面态电子结构在大气、常温环境下的鲁棒性（robostness）,为拓扑绝缘体的潜在应用打下基础;4.系统研究了拓扑绝缘体，拓扑半金属及其他Dirac费米子材料的电子结构特性。本项目在包括Nature Communications, PNAS, Advanced Materials等国际一流期刊上发表论文10篇，在该领域内引起了重要的反响和广泛关注。